电磁场的物质性

电磁场的物质性
摘要：物质是独立存在于人的意识之外的客观实在。

电磁场作为一种实在的物质，不少学生对其物质性存在怀疑，而现行教材中也是从特例静电场入手，着重论述了电荷与场的相互作用，这难免有“超距作用”之嫌。

在电磁学和电动力学基础上从电磁场的能量、动量、质量及和实物的相互作用等方面对其物质性进行了分析论证。

关键词：电场；磁场；物质性
0 引言
场的本质是物质，这是物理学的一个基本观点。

为什么说电磁场是物质，它的物质性主要表现在哪些方面，人类通过长期对粒子构成的实物得出这样的结论：物质是不依赖于人的意识而独立存在的。

物质有质量、能量、动量，物质间可以互相作用、相互转化，并遵守相应的守恒定律。

经典力学完成了对实物上述性质的定量描述，而作为物质形式的电磁场是否有以上所说的物质性，本文从电磁场理论出发结合实例对上述问题进行简单讨论。

电磁场虽然看不见摸不着，但它们能表现力的性质。

实验证明，真空中的电荷系统A 与其不接触的电荷系统B 发生相对运动，那么A 是如何作用在B 上的，历史上有2 种观点，第一种观点认为电磁场的传递有“超距作用”，即电磁场传递不需要任何媒质而直接作用于B ，这种传递是不需要时间的。

另一种观点认为A 对B 的作用像实物间相互作用力一样必须借助媒质传递，并且需要时间。

1857 年德国科学家基尔霍夫做实验证明：电信号在导体中的传播速度等于已知的光速，随后1865 年麦克斯韦从电磁波波动方程也推导出电磁信号在空间的传播速度是c =001εμ（μ为真空磁导率，0ε为真空的介电常数），其数值也恰好等于光速。

这说明电磁场的传播是需要时间的，显然AB 间客观存在的这种媒质就是电磁场。

1 电磁场是客观实在、有独立存在的性质
爱因斯坦说：电磁场本身就是一种物质，是具有能量的物质化了的力，仅在可以探测到电力和磁力的地方才有这种物质的存在。

例如：由麦克斯韦方程：
→→→+∂∂=
⨯∇J t D H ; t B E ∂∂-=⨯∇→→ ρ=⨯∇→D ; 0=⨯∇→B
在没有电荷电流分布的自由空间利用矢量场论很易推出波动方程：
012222=∂∂-∇→→t E C B ; 01222=∂∂-⨯∇→
t
E C B 此方程可以说明当电场迅速变化时，即使0=ρ、0=→J 方程仍有非零解，即变化的电磁场可以脱离电荷或电流或独立存在，电磁波就是一个很好的证明。

处于这样的电磁场中的电荷、电流（或运动电荷）将受到电磁场的作用而运动或偏转，这种作用从何而来？我们知道力就是物质对物质的作用，在没有电荷或电流的自由空间中是谁和电荷或电流作用的呢？只有电磁场，所以可以确认电磁场是一种实在的物质，这种物质岁看不见，摸不着，力可以直接反映电磁场的客观存在。

2 电磁场作为物质的形态有其自己的运动规律
物质运动有其规律，如宏观低速符合牛顿定律在在前人研究的基础上，从理论上假设了位移电流的存在，微观领域符合量子力学，在高速时有相对论。

有了运动规律，就可以确定运动状态，麦式方程在前人研究的基础上从理论上假设了位移电流的存在，总结出了电磁场运动的普遍规律：
→→→+∂∂=
⨯∇J t D H ; t B E ∂∂-=⨯∇→→ ρ=⨯∇→D ; 0=⨯∇→B
它实际上就是，只要在某一时刻知道了电磁场的运动方程，这一组方程可以决定电磁场如何运动、变化以及如何受电荷电流作用，只要在某一时刻知道了电磁场的结构，就能预知任何时刻的场结构。

我们知道由麦克斯韦方程组可以推出平面单色电磁波在均匀介质中的传播规律：
022=+∇→→E K E ; 022=+∇→→B K B
这组方程称为亥姆霍兹方程，其中→K 称为波矢量μεω=→
K 方向沿传播方向，其方程的解为：())(0)(0)(t r K i e t r K i e
B t r B E t r E ωω-∙→→-∙→→→→→→=∙=∙和，这
就给了电磁场在→r 处t 时刻的场矢量。

由麦克斯韦方程组还可以进一步推出平面电磁波的运动特点：
（1）电磁波的传播速度：
)(1
为光速c c
V r r εμμε==
（2）电磁波是横波，而且传播方向和→B 、→
E 都垂直。

（3）电磁波的能量密度矢量：→→=n S υω（其中ω为电磁场的能量密度，→n 为电磁波的传播方向的单位矢量）。

可见，平面单色电磁波的能流密度矢量→
S 与波的传播方向一致，能量的传播速度与波的传播速度相同。

另外，我们还可以由麦式方程组的积分形式，得到电磁场在不同介质界面上的边值关系：
→→→→=-⨯a H H n )(12 ； 0)(12=-⨯→→→E E n
σ=-∙→→→)(12D D n ； 0)(12=-∙→→→B B n
（式中σ和→a 是面自由电荷和电流密度）从而可以导出电磁波在入射到介质界面时的反射定律和折射定律：θθ'= ；2
1sin sin υυθθ=' 由以上分析可看出，不论是在均匀介质中，还是在不同介质界面，电磁场的传播规律都可以由麦式方程决定。

3 电磁场具有能量
微波炉可以加热食物，微波是波长较短的电磁波（0.001～1m ）。

这说明电磁场有能量并且可以和其它形式的能量相互转化。

为了描述电磁场的能量和能量传递，引入2个物理量：
（1）场的能量密度ω为单位体积电磁场的能量；
（2）场的能流密度→S 为单位时间垂直流过单位横截面积的电磁场能量，它的方向代表能量的传播方向。

取电磁场中任意一闭合区域V ，体元为dV ，其界面为M ，面元为d →σ（其法向方向指向M 外），V 区域中电所受到的场力密度为→
f （单位体积的的受力），电荷或电流系统运动速度为→v 。

根据电动力学[2]知识可以得到： dV v f →
→⋅⎰+⎰dV dt d ω=→→⎰-σd S (1) 其中：表示电dV v f →
→⋅磁场对闭合区域V 内电荷或电流系统做功的总功率；
⎰v dV dt
d ω电磁场能量对时间的总增加率；→→⎰-σd S 表示区域V 内从M 面输入的功率；式（1）表示电磁场在传递过程中遵守物质的能量守恒定律，即电磁场对闭合区域V 内电荷或电流系统做功的总功率与V 内电磁场能量总增加率之和等于外界从M 面输入区域V 内的功率。

当区域∞→V 时，M 面为无穷大空间的界面，此时不可能再有能量从外部流入。

即0=-→
→⎰σd S ，那么V 内电荷或
者电流系的机械能m W 的总增加率dV v f dt
dW m →→⋅=⎰，于是式（1）变为： ⎰=-dt
dW dV dt d m ω (2) 式（2）说明带电体机械能和电磁场能量的转化关系，符合能量守恒。

实际上中学所学的闭合电路负载上产生焦耳热也是通过电磁场来实现的。

如图1，在电源内根据电动力学相关知识计算出其能流密度→
S 是由电源内部向外输送的，导线附近的能流密度→S 有沿导线方向的分量，它沿导线传递电磁能量，而→S 还有垂直于导体表面指向导体内部的分量，因为导体有电阻这部分能量就转换为焦耳热了。

所以实际情况不同于通常所说电能是由电流传递的。

4 电磁场的动量
早在1864 年麦克斯韦就根据其电磁场理论指出射落在物体表面的光能够对其表面施加压力。

电磁场理论也能够证明如果光照射到理想导体（电阻为零）上，则导体表面上受到的光压为c S p →→
=2 ，→S 为单位时间内单位面积上光的能量，即能流密度； c 为真空的光速。

光能像实物粒子一样对其作用的物体产生压力，这表现了光作为物质的一种性质，即有动量。

实际上量子化的电磁波是由光子构成的，当光束垂直照在导体上，就会表现出粒子性，像粒子流打在导体一样会产生反弹，大量的光子与导体表面作用宏观上就产生了压力。

1901 年俄国科学家列别捷夫首次对光压进行了实验验证，并得到了和理论相一致的数据。

不过通常情况下，在地球表面上很难获得能量密度（或照度）很大的照射，因此在地面上的光压现象极不明显。

光压值很小，例如，强度为100 万烛光的光源，在距它1 m 处的反射镜上产生的总压力不过6
10-Pa ，但在宇宙空间中，它的作用有时却是很显著的。

例如，彗尾总是
背着太阳形成奇妙的扫帚形状，就是由于慧尾的稀薄气体分子受到光压的作用。

根据相关的电动力学[3]知识，当电荷系统和电磁场作用时，由洛仑兹力公式和麦克斯韦方程组就可得到：
dV g dt d dt GdV v ⎰⎰→
→
+ （3） 式中：dt GdV v ⎰→
是电荷系统在V 区域内动量（即机械动量）的增加率；dV
g dt d ⎰→为V 区域内电磁场的总动量变化率；→→⎰-S d T 为单位时间内从V 区域所对应
的S 面上外界流入的量。

当V 取全空间时，就没有动量流入了。

即→→⎰-S d T =0，于是式（3）就变为 ： 0=+⎰⎰→→
dV g dt d dt GdV v ，
即电磁场和电荷的总动量变化率和为零，显然电磁场和电荷系统相互作用时遵守动量守恒定律。

1922 年的康普顿实验也验证了这种守恒。

5 电磁场的质量
电磁场像粒子一样是有质量的。

1900 年法国科学家彭加勒根据电磁波理论首次提出了电磁场可能有质量的想法。

1906 年爱因斯坦确定了狭义相对论的质能关系后，电磁场的质量才真正被认识。

一定空间的电磁场具有能量，由质能方程2
mc W =就可得到这一部分能量对应的质量，这个质量又称惯性质量，虽然电磁场是没有静止质量的。

实际光压现象也说明电磁场是有质量的，因为有质量的物质才能对其他物体表现压力作用。

6 小结
电磁场具备物质的重要特性，有其独立存在的性质，有自己的运动规律，可知，电磁场本身是一种物质，它传播并不需要其他物质做媒介。

但这种物质又和分子原子组成的物质有区别，是物质的又一种状态。